一種上下互不干擾式小型停車裝置設計研究

池偉明，周 璇，吳海彬

（福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350108）

0 引言

隨著我國經濟社會持續快速發展，機動車保有量保持較快增長。全國機動車保有量以每年10%～15%的速度增長，城市私人小汽車每年的增長速度更是高達20%～30%，全國停車位缺口平均在60%以上[1]。由此所帶來許多問題，其中包括交通擁堵、停車難、亂停車等現象。目前，大多數停車場每個車位只能停放一輛車，空間利用率不高，同時在一些老式小區中，并未配備有專門的停車場，停車場的數量完全不能滿足人們日益增長的汽車保有量。因此，研究設計一款小型輕便的停車裝置是有必要的。

對于目前市面上的停車裝置，或多或少的存在一些問題而不能很好地得到推廣。對于覃祖朋[2]提出的升降橫移立體車庫的設計，該裝置重新規劃停車場，并且需要空出一個停車位用于出入車，空間利用率不是最優；對于閆存富[3]提出的一種無避讓式小型立體停車裝置設計研究，該停車裝置下放二層車位時，停放于一層的車無須避讓，但二層車位向前伸長量過大，在現實中不易推廣實現。為此，研究一種上下互不干擾式小型停車裝置，能夠實現提高車位的空間利用率，并方便出入車是很有價值的。

該設計提出一款小型的停車裝置，能夠在一個車位上實現停兩輛車，上下車位的出車和入車互不干擾并且方便停放于二層的車入庫，并且無需重新規劃停車場，能夠在現有普通車位上進行安裝，具有一定的推廣價值。

1 上下互不干擾式停車裝置的結構組成及功能

該停車裝置的結構圖如圖1所示，其中該裝置由下部平臺6、移動軌道5、支撐架3、上部平臺1、換向轉盤2、底座支架8、液壓缸9、連架桿7等組成。本停車裝置執行機構包括推進液壓缸、提升液壓缸、蝸輪蝸桿旋轉機構，各個部分通過電控部分協調配合，共同實現裝置的功能。其中：推進液壓缸通過推桿的伸縮，實現用于帶動整個裝置進行水平運動；提升液壓缸通過推桿的伸縮，用于提升平臺，以至于將車提升至二層，或者下放平臺，方便出車；蝸輪蝸桿旋轉機構：用于將平臺進行旋轉，方便二層車的進出車。

圖1 裝置整體結構圖

安裝上該裝置后，若需要將車停放于一層，只需按照普通車位停車方式正常倒車入庫，該裝置不對一層車位的停放方式產生影響；若需要將車停放于二層，如圖2為利用Solidworks進行的運動動作仿真，機構先沿軌道水平移除，再將平臺下放并旋轉，當車進入平臺后，再按照原方式收回。具體方式如下：通過電控控制推進液壓缸將裝置整體沿軌道平移，然后控制驅動提升液壓缸下放二層平臺同時電機驅動蝸輪蝸桿旋轉機構使平臺旋轉，旋轉至與來車方向水平。車輛只需沿公路水平進入載車平臺，無需倒車，無需干擾停放于下層的車，具體動作如圖2所示。

圖2 停車動作圖

2 裝置的執行機構的設計與選型

該停車裝置執行機構包括推進液壓缸、提升液壓缸、蝸輪蝸桿旋轉機構，各個部分通過電控部分協調配合，共同實現裝置的功能。

2.1 推進液壓缸的選型

2.1.1 原理

推進液壓缸通過控制推桿的伸縮，用于實現整個裝置在導軌上水平運動的動力機構，其安裝位置位于導軌的外側，如圖1所示。

2.1.2 受力分析

該停車裝置整體受力如圖3所示，小轎車重量為F1，停車裝置所受重力為F2，推進液壓缸的推力為F，裝置所受總阻力為 f。已知，一般城市私人小轎車重量F1≤392 00 N；停車裝置自重重F2≈9 800 N；導軌上的動摩擦因數 μ=0.05。

則裝置水平運動所受總阻力計算如下：

由平衡條件可知：

將上訴數據代入得：

圖3 水平推進受力分析

2.1.3 計算，選液壓缸

選取舉升液壓缸為常州泛華機械科技有限公司HSGJ型液壓缸，缸徑為63 mm，活塞桿直徑為35 mm。速比1.46，推力49.88 kN，拉力34.48 kN，最大行程800 mm，電動機選用R系列三相異步電動機型號為Y112M-6，功率1.5 kW。

2.2 提升液壓缸的選型

2.2.1 原理

提升液壓缸通過控制推桿的伸縮，用于拉動前后支撐桿的擺動，從而實現整個裝置在導軌上水平上下運動的動力機構，其安裝位置位于機架上與后支撐桿連接，如圖1所示。

2.2.2 受力分析

后支撐桿受力如圖4所示，已知：小轎車重量為F1=39 200Ν，到支點的力臂為L1；提升液壓缸的拉力為F，到支點的力臂為L；支點到提升液壓缸的距離為x1，后支撐桿總長為x2；后支撐桿抬升的角度為α。

則根據杠桿原理，裝置上下運動所需拉力計算如下：

根據幾何關系可知：

圖4 提升動作受力分析

可以得到：

當α＝30°時，F取得最小值，所以：

2.2.3 選液壓缸

選取舉升液壓缸為常州泛華機械科技有限公司HSGJ型液壓缸，缸徑為63 mm，活塞桿直徑為35 mm。速比1.46，推力49.88 kN，拉力34.48 kN，最大行程800 mm，電動機選用R系列三相異步電動機型號為Y112M-6，功率1.5 kW。

2.3 蝸輪蝸桿旋轉機構的設計與選型

2.3.1 原理

蝸輪蝸桿旋轉機構是連接電機和負載之間傳遞扭矩，從而用于實現停車平臺的旋轉運動的減速機構，其安裝位置位于停車平臺的下方。

2.3.2 選擇材料

考慮蝸桿傳動功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼；因希望效率高些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC。渦輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。為節省貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT100制造。

2.3.3 選型和設計

已知：傳動比i=50，旋轉平臺要求雙向傳動，載荷平穩，傳動總效率η=0.7，蝸桿的轉速等于電動機的轉速n1=1 450 r/min，輸入功率P=7.5 kW，蝸桿頭數z1=1。可以得到渦輪齒數:

蝸輪上的轉矩：

9 550×7.5×0.7/（1450÷50）=1 728.879Ν?m因為工作載荷平穩，故取載荷分布不均系數Kβ=1查表選取使用系數KA=1.15；由于轉速不高，沖擊不高，可取動載系數KV=1.05；則載荷系數為：

按照齒面接觸疲勞強度進行設計，則：

所以，去模數m=80 mm，蝸桿分度圓直徑d1=80 mm。中心距 a=（d1+d2）/2=(80+8×50)/2=240 mm 。蝸桿軸向齒距Pa=25.133 mm，直徑系數q=10，齒頂圓直徑da1=90 mm，齒根圓直徑df1=60.8 mm，分度圓導程角，γ=11°18′36"蝸桿軸向齒厚。 sa=12.566 4 mm 。

渦輪分度圓直徑d2=m×Z2=400 mm；渦輪喉圓直徑da2=d2+2ha2=(400+2×8)mm=416 mm；渦輪齒根圓直徑：df2=d2-2hf2=(400-2×1.2×8)=380.8 mm。

電動機選用Y系列三相異步電動機型號為Y160M-4，功率11 kW。

3 裝置的電控部分設計

電控原理圖如圖5所示，電控部分主要由8031單片機、8255可編程并行I/O接口芯片、電磁換向閥、驅動接口、開關接口、開關傳感器接口、應急燈及緊急停止開關等組成，各個元器件互相配合，相互協調，共同實現裝置整體功能。

工作原理：該產品基于51單片機進行設計，實現機構的水平移動、載車平臺的旋轉與平臺的升降的復合運動，以及以上運動的復位。

采用8255A芯片擴展I/O口，其中C口作為控制開關接入口，接入急停和啟動開關，用于啟動裝置和急停；A口作為行程開關信號輸入口，響應3組6個起點與終點的行程開關信號，用于判斷執行機構是否達到終點；B口作為驅動接口，接驅動電路，用以控制3個電磁閥的狀態以及應急指示燈的狀態。

圖5 電控原理圖

在電路中，數字1代表有效，數字0代表不生效代表其中。C口共有8位，使用其中第1位和第2位0和1分別作為啟動和急停狀態表示位。B口共有8位，采用第1位到第6位表示電磁閥的通斷，因為電磁閥為三位四通電磁閥，有3種狀態，如第1個電磁閥具有水平前進與后退以及停止狀態，分別對應電磁閥的三位狀態，則使用兩位二進制表述這種狀態，b1b0兩位，01時表示前進，10時表示后退，00表示停止，而11時無效。以此類推，表示另外兩個電磁閥升降與旋轉動作的實現以及復位。而A口作為行程開關信號輸入口，用于判斷執行機構是否達到終點。例如，當電磁閥A控制的推進液壓缸推進到終點時，SA1不動作，觸發SA2動作，于是A0A1=01，通過程序可以判斷推進液壓缸已推進到終點，再讓液壓缸停止，其余執行機構都按照此方法，不再敖述。

4 結束語

上下互不干擾式停車裝置相比于其他立體停車裝置在提高車庫的空間利用率的同時，無需重新規劃停車場，安裝方便，停放于上下車位的車輛的出車和入車互不干擾，且能夠方便將車停放至二層，無需倒車。此外，能夠較好解決目前停車難，車庫數量不足的問題，方便人們的出行，具有一定的推廣價值。